论文摘要：工业纯钛TA2的超高周疲劳行为以及频率效应研究

随着工业技术的发展，汽车、高铁、航空航天装备等关键零部件的疲劳寿命高达108周次以上，有时甚至达到1010周次，已属于超高周疲劳的范畴。传统的疲劳设计是基于疲劳寿命在107周次以内的疲劳性能数据建立的，基本假设是交变载荷低于材料的疲劳极限则不发生断裂，然而大多数材料并不存在疲劳极限，因此需要在超高周疲劳范围内研究构件的使用寿命。超高周疲劳的实验所需时间长，超声疲劳试验机的出现大大节省了试验时间，但同时也带来了频率效应。

本文采用三种不同频率加载疲劳试验方法研究了工业纯钛TA2的频率效应以及其超高周疲劳行为。结果表明：随着加载应力幅降低，疲劳寿命不断增加，同时S-N曲线不存在水平渐近线，在107~109周次之间试样仍然会发生疲劳断裂，疲劳裂纹均萌生于试样的表面。20kHz频率下疲劳寿命为109周次对应的疲劳强度为245MPa，100Hz频率下疲劳寿命为107周次对应的疲劳强度为250MPa，5Hz频率下疲劳寿命为106周次对应的疲劳强度为240MPa。加载频率从5Hz升高到100Hz，在相同寿命下TA2的疲劳强度有显著提高，即存在明显的频率效应；而加载频率从100Hz升高到20kHz时则没有明显的频率效应。在超声疲劳加载过程中，试样表面的温度先小幅度上升而后保持平稳，该阶段属于裂纹萌生阶段；温度急剧增加至试样断裂为裂纹扩展阶段。

利用透射原位拉伸方法研究了工业纯钛TA2的变形机制和裂纹扩展行为。研究结果表明：拉伸过程中裂纹尖端发射大量位错，并在裂纹尖端前方形成无位错区（DFZ）；在TA2的变形过程中既存在位错运动也存在孪晶切变，最易开动的滑移系是，孪晶面为晶面；在试样薄区裂纹扩展的模式为连续扩展，当裂纹扩展至较厚区域时，由于主裂纹的钝化会在裂纹尖端前方出现空洞和微裂纹，主裂纹通过与这些微裂纹连接完成非连续扩展。

采用扫描原位疲劳和EBSD实验研究晶粒取向对TA2变形、疲劳裂纹萌生及扩展的影响。实验结果表明在原位疲劳过程中，滑移主要发生在与周围晶粒取向差较大的晶粒，通过施密特因子计算确定了滑移系为a+c型：；随着循环周次的增加，在晶粒内部以滑移带开裂的方式萌生显微裂纹；随后显微裂纹穿晶连续扩展。

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